Röntgen-fluoreszcens analízis alkalmazása elektronikai alkatrészek forrasztás-technológiájában

MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR 3515 MISKOLC Egyetemváros Kerpely Antal Anyagtudományok és Technológiák Doktori Iskola Doktori (Ph.D) értekezés Röntgen-fluoreszcens analízis alkalmazása elektronikai alkatrészek forrasztás-technológiájában Készítette: Koncz-Horváth Dániel okl. kohómérnök Tudományos vezető: Gácsi Zoltán egyetemi tanár Miskolc 2013

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 2 2. Ólommentes forrasztás... 4 2.1 Elektronikai forrasztás-technológia... 4 2.2 Sn-Ag alapú forraszanyagok... 9 2.3 A forraszkötések ólomtartalmának vizsgálati lehetőségei... 13 3. Röntgen fluoreszcens analízis... 16 3.1 Röntgensugaras anyagvizsgálat... 17 3.2 Az elemzés sajátosságai... 24 3.3 A módszer analitikai alkalmazása... 32 4. Célkitűzések... 37 5. Ólomtartalom meghatározása Sn-Ag alapú tömbi forraszanyagokban... 39 5.1 Teljesítményjellemzők vizsgálata... 39 5.2 Kalibráció az ólomtartalom változtatásával... 45 5.3 A szövetszerkezetből eredő mérési bizonytalanság vizsgálata... 51 5.4 Multi-elemes standardok tervezése csúcsarány módszer segítségével... 57 5.5 Forrasztókádak ólomtartalmának monitorozása... 62 5.6 Az eredmények összefoglalása... 63 6. Bevonatok és pasztás forrasztások vizsgálata... 65 6.1 Merítéses bevonatok vizsgálata... 65 6.2 Vegyületréteg növesztése izoterm hőkezeléssel... 70 6.3 Újraömlesztéses forrasztás különböző csúcshőmérséklettel... 73 6.4 Az eredmények összefoglalása... 77 7. Összefoglalás... 79 8. Új tudományos eredmények... 80 Irodalomjegyzék... 82 Köszönetnyilvánítás... 90 Mellékletek... 92 Summary... 96 1

1. Bevezetés A XXI. század elejére különösen fontossá vált a forraszanyagok tanulmányozása és tulajdonságainak fejlesztése. Az ólomtartalmú forraszanyagot helyettesíthető ötvözetek kutatása már néhány évtizeddel korábban elkezdődött, majd az ezredfordulóra érkezett el arra a szintre, hogy megvalósulhasson egy mindenre kiterjedő technológiaváltás. Ezt a döntést nem csupán a felhalmozott tudás indokolta, hanem környezet gazdaságtani szempontok is. Az elektronika világában a fejlesztések időtávjai és a termékek életciklus görbéi egyre inkább lerövidülnek, ezáltal is fokozottabb környezetterhelést eredményezve. Ennek csökkentése érdekében két fontos irányelv is született, így a veszélyes anyagok mennyiségének korlátozására (Restriction of Hazardous Substances) és az elektronikai hulladékok kezelésére (Waste Electrical and Electronical Equipment) vonatkozóan is. Ezek alapján kötelezték a gyártókat, hogy az addig sikeresen alkalmazott, rendkívül gazdaságos ólomtartalmú forraszanyagokat a technológia módosításával cseréljék le. Európában elsőként Hollandiában és Svájcban vezettek be korlátozást 1999-ben, míg Japánban 2001-től szinte az összes jelentős gyártó (Hitachi, Toshiba, Sony, Fujitsu, Panasonic) ólommentesen gyárt (Cannis, 2001). Az alkalmazott forraszötvözet megváltoztatása egy iparág számára nem könnyű feladat, mely jelentős mértékű technológiaváltást igényel. Az elektronikai iparágban a kezdetektől ón-ólom ötvözettel forrasztottak, amely forraszanyagot például már i.e 312-ben a Római Birodalomban is ismertek és használtak (pl. városokat ellátó vízvezetékek szakszerű forrasztása (Matthews, 1970)). Kedvező mechanikai és forraszthatósági tulajdonságokkal rendelkezett, valamint a megbízhatósága is megfelelt a támasztott követelményeknek. Akár a felületszereléses, akár a furatszereléses technológiát vesszük alapul, a nyomtatott áramköri lapok kontaktusainak megbízhatóbb kialakításától kezdve a megfelelőségi piktogramok elhelyezésén át a nagyobb hőállóságú alkatrészek előállításáig számos kérdésre kellett megoldást találni. Az ólommentes forraszanyagok csoportjába tartozó ötvözetek tulajdonságaiban és felhasználásában is különbségek mutatkoznak. A főbb ötvözetek ón-ezüst alapúak, mellettük ötvözőként megtaláljuk a Cu, Bi, Sb, In vagy Ni elemeket is, illetve a kontaktusok kialakításánál az Au is gyakran előfordul. Gyakran az alkotók ugyanazok, de különböző mennyiségben alkalmazzák őket. Ezért is van az, hogy technológiától függően eltérő hőmérsékleten forrasztanak és az esetenként előforduló problémák is a felhasznált ötvözet tulajdonságaira vezethetők vissza. Az elektronikai forrasztásról a hatvani Robert Bosch Elektronika Kft-nél szereztem gyakorlati ismereteket. Itt megismertem a korszerű forrasztás technológiai folyamatokat, valamint a minőség ellenőrzéséhez szükséges vizsgálati módszereket. Értekezésem alapját a rendelkezésemre bocsátott energia-diszperzív röntgen fluoreszcens berendezés tanulmányozása adta, amely során tapasztalatokat gyűjtöttem, ezeket rendszereztem és a kísérletek megtervezéséhez is felhasználtam. Kezdetben még 2

hagyományos ólmos (Sn-37Pb) forraszanyagot vizsgáltam, majd rövid időn belül az ólommentes termelés bővülésével egyidejűleg felkészítettük a berendezést az ólommentes forraszanyagok ellenőrzésére. A kutatás fő irányát a röntgen fluoreszcens analízis elektronikai környezetben történő alkalmazhatóságának vizsgálata jelentette. A megválaszolásra váró kérdések egy része a vizsgálat körülményeinek, azaz a mérés paramétereinek megválasztására irányult. A másik lényeges részt az elektronikában alkalmazott anyagok, így a különböző ötvözetek és rétegrendek vizsgálhatóságának tisztázása jelentette. Az analízis egyik korlátját ugyanis a vizsgálandó minta alapmátrixának összetétele jelenti, így minden új anyagkombináció újabb kérdéseket vet fel, ezáltal új kutatási feladatot is eredményezve. Az értekezés elsődleges célja a módszerben rejlő lehetőségek megállapítása valamint az irodalmi állításokra alapozott tudományos kérdések megválaszolása. Ennek értelmezhetőségét segítem elő az elektronikai forrasztás főbb jellegzetességeit és a röntgen fluoreszcens analízist bemutató második és harmadik fejezettel. Erre alapozva, valamint a gyakorlatban szerzett tapasztalataimra is támaszkodva fogalmaztam meg célkitűzéseimet (4. fejezet). A disszertációm jelentős részében Sn-Ag alapú forraszanyagok analízisével foglalkozom. Az elméleti összefoglalóban ismertetem a forrasztás menetét és a forraszanyagok főbb kristályosodási körülményeit. A vizsgálatok bemutatását a forrasztás-technológiából adódó különbségek miatt két fejezetre osztom, így külön kerül tárgyalásra a tömbi forraszanyagok analízise és külön a pasztából létrehozott forraszkötések vizsgálata. Utóbbi esetben jelentős szerepe van a hordozófelület kialakításának is, így a kísérletek tervezésénél ezt is figyelembe vettem. Vizsgálom a forraszanyag alapmátrixának és ötvözőinek szerepét, ugyanakkor a forrasztástechnológia paramétereinek (pl. hőmérsékletének) hatását is a megengedett határok között. Az elméleti oldalról körvonalazott kérdések mellett arra is kerestem a választ, hogy a már említett ólommentes gyártás ellenőrzése (főleg az ólomtartalom monitorozása) hogyan valósulhat meg hatékonyan egy asztali berendezéssel. A hagyományos, asztali röntgenspektroszkópok helyett ma már a hordozható, kézi készülékek komoly alternatívát jelenthetnek (Reilly (2007), Willis (2007), Hernandez és társai (2007)). Az értekezés összeállításában lényeges szempont volt, hogy az elméleti kérdés mellett az is szerepeljen, hogy az milyen gyakorlati probléma megoldását segíti elő. Az ipari környezetben is végzett kutatás eredményei közvetlenül is hasznosulhatnak a termelésben (7. fejezet), amennyiben kellően illeszkednek az adott üzemben alkalmazott gyártási és minőségbiztosítási elvekhez. 3

2. Ólommentes forrasztás A forrasztás több ezer éves múltra tekint vissza, egészen a bronzkor kezdetére. A fennmaradt tárgyak és írásos anyagok alapján először az arany, ezüst és a rézedények elkészítésénél forrasztottak. Az ólmot i.e. 3000 körül a mezopotámiaiak, az ónt pedig i.e. 2000 körül az egyiptomiak kezdték el használni (Tylecote, 1976). A Bibliában 1, Ézsaiás próféta könyvében (i.e. 600 körül, 40. rész 19. vers) is találunk utalást forrasztásra: a mesterember bálványszobrot önt, az ötvös bevonja arannyal, és ezüstláncot forraszt hozzá. Néhány évszázaddal később pedig Arisztotelész már foglalkozik az ónpestis jelenségével. Ahogy a bevezetőben is említettem, az ón-ólom ötvözetet csak később kezdték el alkalmazni, mindazáltal a Római Birodalomban már komoly ismerettel rendelkeztek a felhasználását illetően. Az elektronikai alkalmazására a XX. század elejéig kellett várni. Ipari méretekben kezdetben merítéses technikával forrasztottak, majd később megjelentek a korszerűbb beültetéses és szelektív módszerek is. Az elektronikai áramkörök fejlődésével együtt lépést kellett tartania a technológiának is, így például az alkatrészek méretcsökkenéséből adódó szereléstechnológiai fejlesztések megvalósítására is szükség volt. Az ólommentes forraszanyagok fejlesztésénél a kutatások fő célja az volt, hogy az ólom hiányát minél hatékonyabban pótolni tudják. A hagyományos ón-ólom forraszanyagban ugyanis az ólom kedvező szerepét három tulajdonság kapcsán is ki kell emelni. Az egyik, hogy az ólom biztosította a megfelelő alakíthatóságot, másrészt a lehető legkedvezőbb határfelületi energiát (ezáltal a legkisebb nedvesítési szöget (11 o ) eredményezte réz hordozófelületen (Kim, Liou & Tu, 1995)), továbbá az eutektikus összetételnek köszönhetően az alacsony olvadáspontot (183 o C) is. A forraszanyagok tulajdonságainak ismertetésére csak az érthetőség megkönnyítése végett térek ki, amely az elvégzett kísérletek hátterét adta. Főként az egyes forraszanyagok kristályosodására és a forrasztási műveletek ismeretére támaszkodom, így ebben a fejezetben egy rövid technológiai ismertetőt is szeretnék adni. 2.1 Elektronikai forrasztás-technológia A bevonatok szerepe Az elektronikai áramkör megtervezésénél alapvetően az alkalmazott nyomtatott áramköri lap típusából indulnak ki. Ma már jellemzően kétoldalas illetve többrétegű struktúrát használnak. Előállításuk történhet szubtraktív vagy additív technológiával, de mindkettőben közös, hogy a szigetelő hordozó egy üvegszál erősítésű műgyanta lemez, melyen nyomtatott huzalozás (vezető sávok) és galvanizált réz felületek ( pad -ek) találhatók (Judd & Brindley, 1999). 1 Az egyik legrégebbi rendelkezésünkre álló írásos anyag. 4

A forraszthatóságot azonban jelentősen rontaná, ha a réz érintkezőket hagynánk oxidálódni. Ekkor ugyanis fizikai-kémiai kölcsönhatásként a fém és a környezete (levegő közeg) között korróziós reakció játszódna le, jelen esetben Cu2O keletkezésével. A réteg kívülről (O 2- diffúzió) és belülről (Cu 2+ ) is növekszik (Horváth, 2008). Néhány nap elteltével szobahőmérsékleten is vastag oxidréteg alakulhat ki. Ezt úgy kerülhetjük el, ha a réz felületén létrehozunk egy védő bevonatot, ami a forraszanyag tapadását és szétterülését is elősegíti. A bevonatokat rendszerint tűzi mártásos vagy kémiai eljárással készítik. Az ólommentes gyártás elterjedésével a külső áramforrás nélküli (merítéses v. immerziós) fémes és a szerves bevonatok is egyre nagyobb szerepet kaptak. Az Egyesült Államokban 2002-ben az elektronikai felületi kezelések közel 50%-a tűzi (Hot Air Solder Leveling, HASL) ón, míg 26%-a szerves (Organic Solderability Preservatives, OSP), 22%-a arannyal bevont áramforrás nélküli Ni réteg (Electroless Nickel / Immersion Gold, ENIG), a fennmaradó rész pedig immerziós Sn és Ag volt (Puttlitz & Stalter, 2004). A bevonatok főbb tulajdonságait az 1. táblázat tartalmazza (forrás: saját szerkesztés Puttlitz & Stalter (2004) 449. oldala alapján). Bevonatok típusai HASL 1. táblázat A bevonatok főbb típusai és tulajdonságai Jellemzői egyenetlen bevonat nagy hőmérsékletű felület bevonás hosszú ideig tárolható többször forrasztható 1-25µm Immerziós Sn és Ag ezüst migráció probléma lehet Sn bevonatnál tűkristály képződés veszélye Sn fürdő fokozottabb odafigyelést igényel 0.1-1µm OSP gyenge forraszthatóság többszöri forrasztást nem bírja kedvező hőmérsékleten hozható létre nagyon olcsó 0.2-0.5µm ENIG a folyamat nehezen szabályozható Au elridegítheti a forrasztást nem megfelelő kialakításnál hosszú ideig tárolható jól nedvesíthető drága 4-6µm + 0.05-0.1µm Galvanikus Sn adalékoktól függő fényesség a forraszanyag terülése matt bevonatnál lassú tűkristály képződés veszélye 0.5-5µm Megjegyzés: a tűkristály képződés veszélyét a 2.2 fejezetben, A forraszkötések megbízhatósága pontban ismertetem A tűzi bevonat mellett szól, hogy többszörösen forrasztható, sokáig tárolható és viszonylag olcsó, hátránya viszont, hogy a nagy hőmérséklet miatt azonban 5

fokozottabban igénybe veszi a bevonó-medencét. A többi esetben 80 o C alatti hőmérsékleten készítik a bevonatot. A galvanizálást vizes közegű elektrolit oldat segítségével valósítják meg, ahol az elektrolit oldat tartalmazza a bevonatot képező fém ionjait, a bevonandó felület pedig a katód szerepét tölti be. Immerziós bevonat készítésénél 50-70 o C közötti hőmérsékleten, merítéses technikával, egyszerű technológiával (Sn 2+ + 2Cu Sn + 2Cu + ill. 2Ag + + Cu 2Ag + Cu 2+ ) készül a bevonat. Az OSP eljárásnál pedig vízbázisú szerves elegyet visznek fel vékony rétegben a mikro-maratott felületre. Az ENIG felületbevonó technika árammentes nikkel réteg felvitelét jelenti, amely akadályozza a réz beoldódását (Krammer, 2010). Ezen felül létrehoznak még egy arany védőréteget is, néhány század mikron vastagságban. Külső áramforrás nélküli, kémiai Ni(P) réteg önmagában is létrehozható, ezt leginkább alkatrészek bevonataként alkalmazzák. Ennek vastagsága általában 10-15µm, mely amorf réteg. Azonban ólommentes Sn-Ag-Cu forraszanyagot alkalmazva 250 o C körüli hőmérsékleten oszlopos szerkezetű, törékeny Ni3P réteggé alakulhat. Ezt a folyamatot gyorsítja a (Cu,Ni)6Sn5 fázis megjelenése is, emellett a NiSnP rétegben üregek is keletkeznek, melyek a réteg folytonosságát erősen rontják (Zeng & Tu, 2002). Intermetallikus fázis megjelenésével tiszta Sn bevonat esetén is számolni kell, itt jellemzően Cu6Sn5 vegyület keletkezik, mely akkor okozhat problémát, ha a bevonathoz képest vastag ez a köztes réteg. A forraszanyag szilárdságát a megfelelő eloszlású és rostszerű Ag3Sn vegyület fázis növeli (Shen és társai, 2006), ugyanakkor az összefüggő és vastag Cu6Sn5 vegyületréteg a forraszkötést rideggé teszi (Salam és társai, 2003). A furat- és felületszereléses forrasztás technológia bemutatása Mivel a forrasztás 400 o C alatti hőmérsékleten történik, ezért ezt lágyforrasztásnak is szokták nevezni. Az elektronikai alkatrészeket alapvetően kétféle módon lehet a nyomtatott áramköri laphoz forrasztani. Az egyik a furatszereléses, míg a másik a felületszereléses technológia. Az alapvető különbség a hő-közlés technikájában, a forraszanyag előkészítésében (megjelenésében) és a kontaktusfelületek kialakításában van. A forraszanyag a tömegtermelésben főleg paszta és tömbi állapotban fordul elő, míg a huzalos kialakítás elsősorban a kézi forrasztáshoz készül. A forrasztás során az összekötendő elemeknél kisebb olvadáspontú forraszt megolvasztjuk, nedvesítjük vele a felületeket, majd a kötés létrehozásához lehűtjük. A folyamatot az alábbi lényeges tényezők befolyásolják: a) folyósító szer (fenyőgyanta v. vízben oldódó szerves anyagok) alkalmazása, mely két fontos szerepet tölt be: egyrészt elősegíti a felületek nedvesítését (a felületi feszültség javításával), másrészt az oxidáció ellen védi a forraszanyagot és a kontaktfelületeket. Az előmelegítési szakaszban az oldószerek jelentős része elpárolog. 6

b) atmoszféra: elsősorban az oxidáció mértékét befolyásolja, ugyanakkor a forrasztás hőmérsékletét is kedvezően befolyásolhatja. Lehet vákuum vagy védőgáz, utóbbi esetben kémiailag inert (Ar, He, N2) vagy kémiailag aktív (H2, CO, Cl2, F2, NH3) közegként funkcionálhat (Humpston & Jacobson, 2004). c) forrasztási hőmérséklet és idő: a forrasztás csúcshőmérsékletét és az ott töltött időt a technológia határozza meg. Abban az esetben, amikor a kötés létrehozására nagyon rövid idő áll rendelkezésre (pl. hullám forrasztásnál 1. ábra), az ún. technológiai ablak nagyon kicsi. Ez azt jelenti, hogy az elégséges és a túlzott forrasztási idő között nincs jelentős átmenet, de ugyanez a hőmérséklet közökre is igaz. Túl rövid idő esetén nem alakul ki megfelelő kötés, nincs forrasztás nincs forrasztás hibás forrasztás hosszabb huzalú alkatrész forrasztás hiba nélkül 1. ábra A hullám forrasztás technológiai ablaka (Klenke, 2002) hosszabb idő esetén pedig károsodhat az alkatrész. Hasonlóképpen szükséges egy minimális hőmérséklet a forraszanyag megfelelő terüléséhez, míg a maximális hőmérséklet főleg az alkatrészek tűrőképességének függvényében alakul (Klenke, 2002). A furatszereléses technológia leggyakoribb gépesített változata a hullámforrasztás. A lemezt (a furatokba helyezett alkatrészekkel felfelé) szállítószalag segítségével mozgatják előbb a folyósító szer felviteléhez, majd az előmelegítési szakaszt követően a forrasztás helyéhez. A hullámot szivattyú segítségével gerjesztik (de akár ultrahangos gerjesztéssel is létrehozható), melynél a hőt és a forraszanyagot is a hullám biztosítja. Amennyiben két hullámmal forrasztanak, az elsőnek a szerepe a forraszanyag felvitele, míg a második két irányban áramló, lassú hullám eltávolítja a forraszmaradványokat. Szintén furatszereléses változat a bélyegforrasztás, ahol az előzőhöz hasonlóan történik a lemez előkészítése, míg a kötés létrehozása nagyméretű ónkáddal (néhány száz kg olvadék) történik. Azonban nem a lemezt merítik a fürdőbe, hanem egy arra alkalmas anyagból készült szerszámmal 2 a szükséges mennyiségű olvadékot a forrasztandó felületekhez juttatják. A kád hőmérsékletét úgy állítják be, hogy a szerszám a merített forraszanyaggal a lemez megközelítése közben ne hűljön le jelentősen. 2 A szerszám anyaga ugyanis beoldódva elszennyezi a fürdőt, ezáltal rövidítve az élettartamot és rontva a forraszkötés megbízhatóságát. 7

A felületszereléses technológia (2. ábra) a fentebb ismertetett megoldásokhoz képest jelentősen eltér. A legnagyobb különbséget az jelenti, hogy a forraszanyagot szobahőmérsékleten, paszta 3 állapotban juttatják a lemez forrasztandó felületeire, majd nagy termelékenységű beültető gépekkel felhelyezik az alkatrészeket. A paszta felvitelét stencilnyomtatással végzik, azaz egy olyan vékony (~150µm vastagságú) fóliát alkalmaznak, amelyen a kontaktusfelületek helyéhez és méretéhez igazított ablakokat (apertúrákat) alakítanak ki. A nyomtatás folyamatának sikeressége döntő jelentőségű a kihozatalt tekintve. Az apertúrák mérete és előállításuk módja, a paszta fizikai jellemzői, a nyomtatás sebessége és a késerő nagysága egyaránt befolyásolják a végeredményt (Amalu és társai, 2011). A beültetés során az alkatrészeket vákuum pipettákkal mozgatják a beültetés helyére. A 2. ábra Az újraömlesztéses forrasztás folyamata (Nozue & Obinata, 2004) beültető gépek korszerűségét a sebességükkel (alkatrész/óra) és pontosságukkal (folyamatképességi mutatók) jellemzik. Ez az a lépés, amely különösen hatékonnyá teszi ezt a technológiát. A beültetés után kerül sor a forraszanyag megömlesztésére, azaz a kötés létrehozására. Ezt sokzónás kemencében, fokozatos melegítéssel, szabályozott mozgatási sebességgel (mm/perc) és védőgáz atmoszférában végzik. A forrasztás során az alkatrészek méretéből és anyagából adódó eltérő hő terhelést hő profilok (hőmérséklet-idő diagram) felvételével mérik, majd ennek alapján állítják be az egyes zónák hőmérsékletét. Az egyes alkatrészek hőállóságát az ólommentes forrasztás hőmérsékletének emelkedésével javítani kellett, mivel a legtöbb alkatrész korábban csak 230 o C hőmérsékletet viselt el problémamentesen (Nozue & Obinata, 2004). Az újraömlesztéses forrasztással a nyomtatott áramköri lap mindkét oldalára forrasztható alkatrész. Amennyiben furatszereléses alkatrész is kerül a lemezre, úgy először annak hullám- vagy szelektív forrasztására kerül sor. Lehetőség van a furatszerelt alkatrészek pasztás forrasztására is (Pin-in-Paste technológia, ahol a furatba is juttatnak pasztát beültetés előtt), azonban ennél korlátot szab az alkatrész mérete. 3 A paszta olyan szuszpenzió, amely jellemzően 20-50µm átmérőjű forraszgömböket tartalmaz (melyeket atomizálással, minimális oxigén szint mellett hoznak létre olvadékból), 10% körüli folyósító szer tartalom mellett (Lee, 2002). 8

2.2 Sn-Ag alapú forraszanyagok A legtöbb ólommentes forraszanyag ón alapú ötvözet. Összetételüket tekintve akkor a legelőnyösebbek, ha eutektikus vagy ahhoz nagyon közeli ötvözetet alkotnak, hiszen így biztosítható az alacsony és egyetlen olvadáspont (ennek ellenére helyi megolvadások vagy kristályosodások előfordulhatnak). A nemes fémek egy csoportjával (Au, Ag és Cu) jellemzően ilyen összetételben alkalmazható. Általában két- vagy háromalkotós rendszereket használnak, ugyanakkor a lényeges megbízhatósági tulajdonságokat néhány további ötvöző hozzáadásával javítani lehet. A főbb kétalkotós ötvözetek olvadáspontját és eutektikus összetételét a 2. táblázat tartalmazza (forrás: saját szerkesztés Zeng & Tu (2002) 57. oldal alapján). 2. táblázat Kétalkotós eutektikus forraszanyagok Kétalkotós rendszerek Eutektikus hőmérséklet ( o C) Eutektikus összetétel* (wt.%) Sn-Cu 227 0,7 Sn-Ag 221 3,5 Sn-Au 217 10 Sn-Zn 199 0,9 Sn-Bi 139 57 Sn-In 120 51 *a második fázis mennyisége A hagyományos ólmos forraszanyaghoz az ón-ezüst ötvözet tulajdonságai állnak a legközelebb. Habár az olvadáspont közel 40 o C-al nagyobb, mégis a forraszthatóságot tekintve a nedvesíthetőségi és terülési paraméterei igen kedvezőek, emellett a kúszásállósági tulajdonságuk és a gyenge szemcsedurvulási rátájuk is előnyös (Wu és társai, 2004). A kristályosodás menete és a vegyület fázisok kialakulása A forrasztás során az olvadék kristályosodásának körülményei meghatározzák a forraszkötés tulajdonságát és megbízhatóságát. Amint a 3. ábra is mutatja, az Sn-Ag egyensúlyi fázisdiagramban vegyület fázis is megjelenik, eutektikushoz közeli összetételnél Ag3Sn fázisként. Létrejöttéhez minimális túlhűlés is elegendő. Ugyanakkor a kontaktusfelületek bevonatainak is szerepe van a kristályosodás folyamatában. Az Sn/Cu határfelület esetében például számolni kell azzal, hogy az ólomtartalmú forrasztással szemben a nagyobb hőmérséklet miatt a bevonat is megolvad, vagyis a Cu könnyen beoldódik. A beoldódás 3. ábra Sn-Ag kétalkotós fázisdiagram (forrás:www.metallurgy.nist.gov) 9

mértéke meghatározható, ha ismerjük a kötés forraszanyagának térfogatát, a beoldódás előre meghatározott mértékét illetve a bevonat vastagságát (Shangguan, 2005). Ennek azért van jelentősége, mivel a Cu és az Sn intermetallikus vegyületet alkot, jellemzően a Cu6Sn5 formában. A kristályosodás a hőelvonás iránya miatt a kontaktfelületektől indul, tehát a többnyire egybefüggő Cu6Sn5 (esetleg Cu3Sn) vegyület fázisok megszilárdulásával kezdődik (kisméretű Cu6Sn5 kristályok azonban később a mátrixban is előfordulhatnak (Pang, 2004)). Vastagságát leginkább az újraömlesztéses forrasztásnál a hő profil optimalizálásával lehet csökkenteni (Salam és társai, 2003). Ezt követi az Sn dendritek 4 kristályosodása, melyet az eutektikum illetve az ónmátrix vesz körül. A dendritek felületén pedig mikro-méretű csúcsok jelennek meg, melyek Ag3Sn fázisok, és növekedésük iránya a kristályosodás frontjának normálisával azonos (Gong és társai, 2009). Az Ag3Sn vegyületek alakját (gömbszerű szemcse, tű, levél, lemez) befolyásolja a hűtés erélyessége. 4. ábra Vegyületfázisok megjelenése a forraszkötésben (Zeng & Tu, 2002) Lassú hűtés esetén lemez alakú, nagy kiterjedésű, akár az egész kötést átfogóak is lehetnek. Ez kedvezőtlen, hiszen rugalmassági tulajdonságából veszít a forraszkötés a fázis ridegsége miatt. Forrasztás során viszonylag gyors hőelvonás (akár 10 2 K/s) tapasztalható, tehát itt inkább tű alakú, az egész eutektikumot behálózó, finom méretű vegyületfázisokat láthatunk (Kim és társai, 2001). Fontos megjegyezni, hogy a nagyméretű, lemez alakú Ag3Sn a Cu6Sn5 vegyület rétegtől kezd növekedni (Lee & Chen, 2011). Erre látható példa a 4. ábra Ni bevonat esetén is történik beoldódás, ekkor (Cu,Ni)6Sn5 vegyület réteg jelenik meg. A kedvezőtlenebb Ni3Sn4 vegyület abban az esetben alakulhat ki, ha az ötvözet nem tartalmaz rezet, ugyanis annak jelenléte gátolja a képződését. Amennyiben Au réteg is van, úgy az gyors beoldódás közepette AuSn4 vegyületet is eredményezhet, amely szintén rideg, de a Ni ebben az esetben stabilabb (Au,Ni)Sn4 vegyületté alakíthatja (Zeng & Tu, 2002). Az ón-ezüst alapú ötvözetek szövetszerkezetét a hűtés erélyessége mellett az ötvözők mennyiségének kismértékű változtatása is befolyásolja. Így az eutektikus szövetszerkezet finomodása Sn-Ag ötvözetek esetén nem csak a hűtési sebesség növelésének eredménye, hanem az Ag tartalom csökkentése is hatással van rá (Kim és társai, 2001). A mechanikai tulajdonságok (pl. szakítószilárdság, nyúlás, mikro keménység) szövetszerkezettől és összetételtől való függése szintén kutatott terület. 4 A primer Sn dendritek térfogathányada jellemzően ~ 20 és 80% között változik (Shangguan, 2005) 10

Shen és társai (2006) például kimutatták, hogy a rendkívül gyors hűtés (10 4 K/s) eredményeként a finom dendritek és a gömbszerű Ag3Sn fázisok eredményezik a legnagyobb keménységet Sn-3.5Ag ötvözet esetén. Ötvözők hatása az Sn-Ag alapú ötvözetek tulajdonságaira A réz szerepe elsősorban az olvadáspont csökkentése (Sn-3.0Ag-0.5Cu esetén 217 o C) és a nedvesíthetőségi tulajdonságok javítása. A Cu tartalom mennyiségét azonban ~0.5 és 1% közötti tartományban határozták meg, mivel az ettől nagyobb mennyiségben bevitt réz kedvezőtlen mechanikai tulajdonságot eredményez. Ennek oka, hogy a kétféle CuxSny vegyületből a Cu3Sn vegyület létrejöttét segíti a nagyobb réz tartalom (Cu6Sn5 + 9 Cu 5 Cu3Sn), ami pedig a Kirkendall-féle gömbszerű üregek 5 képződését segíti elő, mely drasztikusan csökkenti a kötés szilárdságát (Gao & Qu, 2012). A bizmut esetében 1%-nál van egy határ, ami alatt még oldatban tartható, e felett azonban már kiválik. Li és Shi (2006) cikkükben a Bi hatását vizsgálták (Sn-3.5Ag- 0.7Cu ötvözet esetén), változtatva annak mennyiségét 0 és 5% között. Azt tapasztalták, hogy a Bi tartalmat 1%-ig növelve az intermetallikus vegyület mennyisége folyamatosan csökkent, e felett azonban ismét egyre több lett. A vegyület fázis morfológiája szintén megváltozott. Ennek magyarázata, hogy az aktiválási energia 1%-ig növekedett, elérve ott a maximumát, ezáltal csökkentette az atomi diffúziót, vagyis gátolta az intermetallikus növekedést. Az olvadáspont a Bi hozzáadásával szintén csökkenthető, kúszásállósága valamelyest növelhető. Az antimon növeli a szilárdságot és az olvadáspontot. Összetételtől függően egy része oldatban van jelen az Sn-mátrixban, míg a fennmaradó része kiválásként jelenik meg. Lee és társai (2005) úgy találták, hogy az Sb komoly szerepet tölt be a forraszkötés kifáradási élettartamának növelésében a szemcsehatár diffúzió lassítása révén. Emellett a kiválások úgy jönnek létre, hogy az Ag3Sn vegyületben beépül az Sn helyére, így létrehozva az Ag3(Sb,Sn) fázist. A nikkel vegyületképző, minimálisan oldódik az Sn-alapú ötvözetekben. Növeli az olvadáspontot és a szilárdságot, emellett viszont csökkenti a kúszásállóságot. Vegyületképzőként vastagabb Cu6Sn5 réteget eredményez, ami lassítja a kedvezőtlenebb Cu3Sn kialakulását (Wang és társai, 2010). Vegyületként általában (Cu,Ni)6Sn5 formában jelenik meg. Az indium jelentősen csökkentené az olvadáspontot, de meglehetősen drága, ezért kevésbé terjedt el. Az Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni hatalkotós ötvözetet megfelelő összetételben alkalmazva a legtöbb ólommentes forraszanyagénál jóval megbízhatóbb és kedvezőbb mechanikai 5 Kialakulását a kétféle vegyületrétegben történő Sn és Cu kölcsönös diffúziójának jelentős eltérése okozza, méretüket tekintve néhány 100-1000 nm körüliek (Gao & Qu, 2012). 11

tulajdonságú forraszkötés hozható létre. Ez azt jelenti, hogy a termikus ciklusoknak és a rázó vizsgálatoknak jobban ellenáll, valamint megfelelően viseli a nagy sebességű nyírást (Brown, 2008). A forraszkötések megbízhatósága A forrasztás megbízhatósága függ az alkatrészek, a nyomtatott áramköri lap és a kötés megbízhatóságától. A forraszkötés karakterisztikáját meghatározza például az alkalmazott ötvözet és annak szövetszerkezete, a kontaktfelület kialakítása, a forraszanyag mennyisége (ezáltal terülése és alakja is), valamint a zárványok megjelenése. Ahogyan már a bevonatok ismertetésénél, az 1. táblázatban is szerepelt, a tűkristály (más néven whisker ) képződés veszélyével számolni kell, ugyanakkor előfordulásának kockázatát csökkenteni lehet. A problémát az jelenti, hogy az Sn felületből spontán oszlopos vagy hengeres, egykristályból álló ón-szál indul növekedésnek, amely az áramköri elemek között rövidzárat tud okozni. Jellegzetes ón-tűkristály felvétele látható az 5. ábra. A tiszta ón felület kedvez leginkább a növekedésének, de akár ónalapú ötvözetekből is növekedhet különféle körülmények között. Kutatása több mint 60 éve tart, mivel képződési mechanizmusa nem teljesen tisztázott, 5. ábra Tűkristály megjelenése tiszta ón bevonaton (Zeng & Tu, 2002) habár elméletek sokasága létezik, melyek külön-külön, bizonyos esetekben megállják a helyüket. Így például nyomás hatására is előidézhető a növekedésük, erre például Shibutani és társai (2008) egy eljárást dolgoztak ki, melyben szemcsehatár diffúziós modell segítségével a képződő tűkristály (whisker) hosszát is meg tudták becsülni. Az ón-tűkristály képződés kockázatának csökkentését segíti a matt ón bevonat alkalmazása (nagy szemcsék és 0,05% alatti C tartalom), a tiszta Sn bevonat kerülése, a porozitás mentes Ni bevonat vagy éppen egy 10 perces hőkezelés 170 o C-on (Shangguan, 2005). A megbízhatóságot a szilárd fázisú átalakulások is rontják. A forraszkötések a mindennapi használatban környezeti hatásoknak vannak kitéve, vagyis szövetszerkezetük és mechanikai tulajdonságaik ennek következtében módosulnak. Így például ismétlődő vagy állandó hő terhelés hatására durvul a szemcseszerkezet, növekszik az intermetallikus réteg vastagsága, ugyanakkor változhat a vegyület fázisok alakja is (Shangguan, 2005). A hő-feszültség mikro-méretű repedéseket is generálhat, melyek idővel nagyobb repedésekké válhatnak, majd ezt követően a forraszkötés törése is bekövetkezhet. Ezért is fontosak a kifáradási és kúszási tulajdonságok mérését segítő 12

hő sokk és klímakamrás tesztek. Az öregítést követően a szövetszerkezet tanulmányozása mellett nyíró-vizsgálatokból is nyerhetnek lényeges információkat. Az intermetallikus réteg szilárd állapotban történő kísérleti növesztésével leírható annak hőmérséklet és időfüggése. Természetesen a növekedés itt lassabb, mint az olvadék állapotú forraszanyag esetén. Choi és társai (1999) különböző hőmérsékleteken öregítették az intermetallikus Cu6Sn5 réteget tartalmazó mintákat és arra az eredményre jutottak, hogy a réteg vastagságának (x) négyzete linearitást mutat az idővel, vagyis x 2 =kt. Ez a k érték 150 o C hőmérsékleten 5x10-14 cm 2 /sec volt. A vegyületrétegek vastagságának mérése mechanikai előkészítést követően keresztmetszeti felvételeken is lehetséges, ugyanakkor ez meglehetősen időigényes. Létezik olyan elektrokémiai eljárás (szintén roncsolásos), amely segítségével gyorsabban juthatunk eredményhez. Ez az ún. szekvenciális elektrokémiai redukciós analízis (Sequential Electrochemical Reduction Analysis, SERA), amely képes arra, hogy különbséget tegyen a forraszanyag és az intermetallikus réteg között. Ez azért lehet fontos, mivel így forrasztás előtt ellenőrizni lehet, hogy milyen vastagságú a forrasztható rétegünk, elkerülve az ebből származó megbízhatósági problémákat (Scimeca és társai, 2008). 2.3 A forraszkötések ólomtartalmának vizsgálati lehetőségei A bevezetőben említett két irányelv közül a WEEE (Waste Electrical and Electronical Equipment) az elektronikai hulladékok ártalmatlanítására és újrahasznosítására fogalmaz meg elvárásokat (minimális mennyiségi szinteket előírva), míg az RoHS (Restriction of Hazardous Substances) a termékekben előforduló veszélyes anyagok mennyiségét szabályozza (Horváth, 2008). A 2002/95/EC direktíva alapján az EU tagállamai 2006. július 1-jétől nem hozhatnak forgalomba olyan termékeket, melyekben az ólom, a higany, a kadmium, a hat vegyértékű króm, a polibrómozott bifenil (PBB) vagy a polibrómozott difenil-éter (PBDE) tartalom a megengedett határértékeket meghaladja. Mennyiségük felső korlátait (tömeg százalékban) és a kimutatásuk főbb módszereit a 3. táblázat tartalmazza, Cusack és Perrett (2006) publikációja alapján. Határértékek és vizsgálati módszerek A korlátozás (v. környezetvédelmi szabályozás 6 ) hatályba lépése előtt az ólom elsősorban az elektronikai forrasztásoknál fordult elő, azonban a mai ólommentes forraszanyagokhoz felhasznált ón mellett is megtalálható szennyezőként, esetenként akár több száz ppm mennyiségben. Fontos, hogy a tömegszázalékban megadott arányok nem a minta teljes tömegére vonatkoznak, hanem az ellenőrzés során egyetlen 6 A korlátozást elsősorban a veszélyes anyagoknak a környezetre, ezáltal pedig az emberi szervezetre gyakorolt káros hatása miatt vezették be. 13

pontban sem léphetők túl. Egy forraszkötés vizsgálatánál ez azt jelenti, hogy sem az alkatrész anyaga és bevonata, sem a nyomtatott áramkörön lévő kontaktfelület, sem pedig a forraszanyag nem tartalmazhat határértéket meghaladó mennyiségű ólmot. 3. táblázat Vizsgálati módszerek az RoHS irányelv határértékeinek ellenőrzésére Anyag RoHS határérték, % Szűrés és ellenőrzés Pb 0,1 XRF ill. ICP-AES, AAS Cd 0,01 XRF ill. ICP-AES, AAS Hg 0,1 XRF ill. ICP-AES, AAS Cr6+ 0,1 XRF (teljes Cr) ill. ICP-AES, GC-MS, UV PBB és PBDE 0,1 XRF (teljes Br) ill. ICP-AES, GC-MS, HPLC-UV A vizsgálat módját tekintve első lépésben az ún. szűrést alkalmazzák, azaz egy lehetőleg roncsolás-mentes vizsgálati módszert. Erre a feladatra a röntgen gerjesztésű és az ebből adódó fluoreszcens sugarak detektálásán alapuló analitikai módszert (angolul X-Ray Fluorescence, XRF) fogadták el az egész világra kiterjedően. Az XRF módszer, melyet a következő pontban részletesen is bemutatok, a sajátosságai miatt azonban nem elegendő az RoHS értékek betartásának igazolására. Erre a minta anyagához és a kimutatandó elemhez igazodó nagypontosságú analitikai technikákat használnak. Az előkészítés itt már több időt és hozzáértést igényel, ezért az ellenőrzést csak a további vizsgálatot igénylő esetekben alkalmazzák. Az ellenőrzés főbb módszerei az atomabszorpciós spektrometria (Atomic Absortion Spectrometry, AAS), a tömeg-spektrometriás gáz kromatográfia (Gas Chromatography Mass Spectrometry, GC-MS), a nagyhatékonyságú folyadék kromatográfia (High Performance Liquid Chromatography, HPLC) illetve az induktív csatolású atom emissziós spektroszkópia 7 (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry, ICP-AES). Utóbbi eljárás eléggé univerzális, mivel több, mint 70 elem meghatározása lehetséges a módszerrel, emellett egyszerre akár 20-50 elem is vizsgálható az automatizáltságától függően. Akár izotópok is mérhetők vele, amennyiben optikai helyett tömeg-spektrométerhez kapcsoljuk (Manning & Grow, 1997). Ólommentes forraszanyagok szennyezése ólommal Az ólommentes forraszanyagokban az 1000ppm határig megengedett Pb tartalom szerepe gyakorlatilag elhanyagolható. Ennél egy nagyságrenddel nagyobb mennyiségből kiindulva többen is vizsgálták az ólom hatását a szövetszerkezetre és a mechanikai tulajdonságokra. Zhu és társai (2000) Sn-3.5Ag ötvözethez adtak 5 és 20% közötti mennyiségben Sn-37Pb forraszanyagot (a névleges Pb tartalom így ~1,8 és 7,2 tömegszázalék között volt), és azt találták, hogy az ólom a szemcsehatárok mentén 7 A módszer lényege, hogy a porlasztott mintát nagy hőmérsékletű (6000-8000K) nemesgáz (pl. argon) plazmába juttatjuk, majd a kibocsátott fényt detektáljuk. 14

jelent meg, továbbá a mennyiségének növelésével egyre durvult. Az intermetallikus réteg vastagságára és a szobahőmérsékleten végzett szakítóvizsgálatok eredményére nem volt számottevő hatással, ugyanakkor a nagy hőmérsékleten (125 o C) végzett szakítóvizsgálatoknál az ólomtartalom növelésével a szakítószilárdság csökkenését tapasztalták. Wang és társai (2009) Sn-3.0Ag-0.5Cu ötvözethez adtak Sn-37Pb forraszanyagot, 5 és 75% közötti mennyiségben. Az ólomtartalom négyalkotós eutektikus reakciót eredményezett, a Pb gazdag fázisok pedig a Cu6Sn5 és Ag3Sn kiválások mentén jelentkeztek (dendritközi régiókba lokalizálódva). A szakító szilárdság mérésénél azonban egyre nagyobb értékeket kaptak a Pb mennyiségének növelésével. Megfigyelték a Pb-gazdag és az intermetallikus fázisok alakjának változását is, így a kisebb ólomtartalomnál tapasztalt szakaszos, gömbszerű részecskéket felváltotta egy folytonosnak látszó háló. Az ilyen irányú kutatás elsősorban azokat az eseteket modellezi, amikor ólommentes forraszanyaggal ólomtartalmú kontaktfelületek forrasztása történik, vagy éppen a kétféle forraszanyag jelenléte miatt keveredés fordulhat elő. Azok a gyártók (pl. autóipar), akiknél az átállás hosszabb időt vett igénybe, sok esetben a még ólomtartalmú bevonattal ellátott alkatrészeket is felhasználták, ennek alapján viszont csak részben állítottak elő ólommentes termékeket (de a Pb szennyezettség így is töredékére csökkent). 15

3. Röntgen fluoreszcens analízis Az elemanalitikában használatos, atom- vagy molekulagerjesztéses vizsgálati módszerek a sugárzás és az anyag kölcsönhatását tekintve főleg az abszorpción 8 vagy az emisszión 9 alapulnak. A mérések fizikai hátterének megértéséhez e két fogalmon túl azonban tisztában kell lenni az alapvető, részecske szinten lejátszódó (hullám- és kvantummechanikai 10 ) folyamatokkal, illetve az összefüggéseket leíró törvényekkel és feltételezésekkel is. A röntgensugarak felfedezését megelőzően mérföldkövet jelentett a mágnesesség és elektromosság alapjainak letétele (mely William Gilbert 11 nevéhez fűződik), a vákuum első kísérleti megfigyelése (Torricelli, 1643-ban) vagy éppen az elektromos feszültség és áramerősség kapcsolatát leíró Ohm-törvény definiálása (1827-ben). 1895 novemberében Wilhelm Conrad Röntgen, a Würzburgi Egyetem fizikus professzoraként a rendelkezésére álló korábbi tudományos eredmények birtokában tervezhette meg kísérletét, melynek eredményeként röntgensugarakat hozott létre (képet készítve a kezéről). Felfedezésével utat nyitott a tudósok előtt a radioaktivitás, a nukleáris fizika, a kvantumelmélet és a kozmikus sugarak tanulmányozása terén is, mindamellett, hogy eredményét közvetlenül is hasznosították például a biológiában, gyógyászatban vagy az anyagok szerkezetének vizsgálatában (felfedezve a fény és a röntgensugár természetének hasonlóságait is). A kutatások eredményeként a röntgen tudományának különböző ágai fejlődtek ki, melyek közül a kémiai elemanalízisre is nagyobb hangsúly esett. Clark (1955) a könyvében 14 önálló csoportot taglal, a mikroszkópos technikáktól a sugárkezelésekig, melyek közül a spektrometriát (kémiai elemek azonosítása) és a fluoreszcens analízist (mint roncsolás-mentes elemanalízist) külön területként említi. Míg előbbinél a sugarak karakterisztikus emissziója és abszorpciója valamint a szórt reflexió lehet a mérés alapja, addig utóbbinál a primer sugarakkal keltett másodlagos sugárzás (fluoreszcens) hasznosul. A fluoreszcens sugarak analitikai célra történő alkalmazása egyébként egy kémiai Nobel-díjas magyar tudós, Hevesy György nevéhez fűződik, melyet 1932-ben fedezett fel freiburgi tartózkodása idején. Az eljárás előnyei sokáig kiaknázatlanok maradtak, majd az utóbbi 30-40 évben dinamikus fejlődésnek indult ez a módszer is. Ezt segítették elő az anyagtudományi kutatások újabb és újabb eredményei valamint a számításhoz szükséges matematikai modellek megalkotása is. A számítástechnikai 8 Abszorpció: az anyag a rajta áthaladó sugárzás (részecskék vagy hullámok) egy részét vagy akár egészét elnyelheti, így az csökkentett intenzitással haladhat csak tovább 9 Emisszió: az anyag az őt alkotó atomok gerjesztésének hatására energiát bocsát ki 10 Az 1920-as és 1930-as években párhuzamosan alkották meg e tudományágakat De Broglie és Schrödinger illetve Heisenberg és társai, mivel a klasszikus elmélet nem bizonyult elegendőnek (Osán és társai, 2006) az elméletek alátámasztására. 11 William Gilbert (1540-1603) angol fizikus, aki 1600-ban publikálta De Magnete című könyvét, melyben a mágneseses jelenségeket tárgyalta, beleértve a Föld mágnesességét, pólusait is (Clark, 1955). 16

háttér bővülésével a rendelkezésre álló hardveres potenciál már lehetőséget adott arra, hogy az ipar hatékonyan alkalmazza e tudományág eredményeit. A kémiai elemek röntgensugaras elemzésénél a módszerek közötti alapvető különbségeket a 3.1 fejezetben ismertetem, ugyanakkor a fluoreszcencián alapuló mérés sajátosságait részletesebben is bemutatom (3.2 és 3.3 fejezetek). 3.1 Röntgensugaras anyagvizsgálat Az elektromágneses sugárzások igen széles hullámhossz tartományt (spektrumot) képeznek a rádióhullámoktól (10 4 méter) a gamma hullámokig (10-12 méter) terjedően. Frekvenciájukat tekintve 10 6 Hz-től 10 21 Hz-ig terjed a skála, beleértve a mikro- (~10 10 Hz), az infra- (~10 13 Hz), a látható- (~10 15 Hz), az ultraibolya- (~10 16 Hz) és a röntgensugarakat (~10 18 Hz) is. A röntgensugarak hullámhossza méterben kifejezve ~10-8 10-11 közötti (Butcher, 2010). A röntgenes analitikai vizsgálatok alapja, hogy a sugarak hullámhossza fordított arányban áll az energiájukkal, mely így lehetővé teszi a minőségi elemzést. A röntgensugarak energiái 100eV-tól (1eV=1.602x10-19 J) kezdődnek, de leggyakrabban az 1-50keV tartományba eső sugárzásokat alkalmazzák (Gauglitz & Vo-Dinh, 2003). Röntgensugárzás többféle mechanizmussal is létrejöhet, így akár az atomok elektronhéjaiban végbemenő folyamatokkal vagy éppen töltött részecskék mozgási energiájának jelentős megváltoztatásával. Amennyiben elektron töltések gyorsításával (azaz fékezési sugárzás-ként) szeretnénk röntgen-sugarakat létre- hozni (6. ábra), úgy ennek lehetőségét a következőképpen lehet röviden összefoglalni (így működnek a röntgencsövek). Ha légritkított (zárt) közegben két elektródát helyezünk el, melyekre egyenáramot kapcsolunk, azokon negatív (katód) és pozitív feszültségű (anód) helyek jönnek létre. Fűtőfeszültség hatására az 6. ábra A röntgensugár keletkezésének elve (Tóth & Crutzen, 1999) izzó katódból elektronok lépnek ki, melyek az egyenfeszültség hatására felgyorsulnak és nagy sebességgel az anódba ütköznek. Az ütközések eredményeként egyrészt jelentős hő fejlődés történik, másrészt a mozgási energia maradék részéből röntgensugárzás 17

keletkezik. A kilépő elektronok sebessége az ún. Einstein-egyenlet 12 segítségével, míg a röntgensugarak hullámhossza a következő egyenletből fejezhető ki: 2 (1) ahol m: az elektron nyugalmi tömege v: a kilépő elektron sebessége c: a fénysebesség h: a Planck-állandó λ: a sugárzás hullámhossza Röntgensugárzást idézhetünk elő akkor is, ha az atom belső héjainak egyikéről elektront távolítunk el. Ehhez megfelelő gerjesztéssel rendelkező energiaforrásra (pl. nagysebességű elektronra) van szükségünk, melynek segítségével a kisebb energiájú héjak valamelyikén elektron hiányt hozhatunk létre. Ennek hatására egy nagyobb energiájú szintről elektronátmenettel pótlódik az eltávolított elektron, a felesleges energia pedig röntgenfoton formájában távozik. Az energiaszintek közötti átmenetek az adott atomra jellemző sugárzás létrejöttét eredményezik, ezért ezt karakterisztikus röntgensugárzásnak is nevezik (7. ábra). Amennyiben a gerjesztést röntgensugárral (elsődleges) végezzük, úgy a keltett röntgensugárzást másodlagos vagy fluoreszcens röntgensugárnak is nevezhetjük. 7. ábra A karakterisztikus sugárzás (röntgenfoton) keletkezése (Osán és társai, 2006) A röntgenfoton energiáját az elektronátmenet energiakülönbsége határozza meg. A sugárzást az atommag töltésének jellemzői 13 közül a protonok száma (vagyis a 12 Az összefüggés szerint a kilépő elektronok mozgási energiája az egyenfeszültséggel egyenesen arányos. 13 Ernest Rutherford és Niels Bohr nevéhez fűződik az elméleti atommodell, melyben a magban lévő protonok száma határozza meg az adott elem rendszámát, míg a nukleonok (proton+neutron) száma az atom tömegszámát adja meg. Ugyanakkor az elektronállapotokat (n,l,m,s,j kvantumszámokkal)) a kvantumelmélet alapján jellemezhetjük. 18

rendszám) határozza meg leginkább. Erre a felfedezésre H.G.J. Moseley 1913-ban az elemek röntgenszínképének vizsgálata során jött rá, amikor összefüggést mutatott ki a röntgensugárzás frekvenciája és a kibocsátó elem rendszáma között. Ez az ún. Moseley-törvény kimondja, hogy különböző atomok ugyanolyan átmenetéből keletkező röntgensugárzás frekvenciájának a gyöke arányos az elem rendszámával. Képlettel kifejezve: 3 4 (2) ahol EK: a Z rendszámú elem K vonalának energiája R: a Rydberg-állandó h: a Planck-állandó c: a fénysebesség σ: árnyékolási tényező Röntgensugár és anyag kölcsönhatása Amikor egy anyagon keresztülhalad a röntgensugár (8. ábra), néhány foton elnyelődik vagy eltérül, így a sugárnyaláb intenzitása (a fotonok száma) megváltozik. A kölcsönhatás eredményeként tehát abszorpció (fotoeffektus) és szórás is megvalósul. A fotoeffektus során az atom elnyeli a beérkező fotont, miközben kibocsát egy elektront (ionizáció) és emellett gerjesztett állapotba is kerül. Mivel a cél az alapállapotának újbóli elérése, így vagy röntgen foton keletkezik, vagy energiája átadódik egy másik elektronnak a héjon, így előidézve 8. ábra Anyag és röntgensugár kölcsönhatása (Gauglitz & Vo-Dinh, 2003) egy újabb üres helyet (vakanciát). Ezt a jelenséget Auger-effektusnak is nevezik. A szórás kétféle lehet attól függően, hogy a röntgenfoton energiája megváltozik-e, ezért Compton-effektus (inkoherens szórás 14 ), valamint Rayleigh-szórás (koherens szórás 15 ) is történhet. A kétfajta szórásnál a sugárzás intenzitása függ a szóró atom rendszámától, így előbbinél egyenes arányosság, utóbbinál a rendszám négyzetével való arányosság érvényesül. 14 Ha a foton az eltérülés (a röntgenkvantum szabad vagy kötött elektronnal való ütközése) közben veszít az energiájából, a folyamatot rugalmatlan vagy Compton-szórásnak (effektusnak) nevezzük. Előfordulhat többszörös Compton-szórás is, amikor a foton több lépésben veszít az energiájából. 15 Amennyiben a foton energiája a szórás előtt és után is változatlan, a jelenséget rugalmas, vagy Rayleighszórásnak nevezzük. 19

Az anyagon belül sugárgyengítési tényezővel is számolnunk kell, mely a sugárzástól és az anyagtól is függ. Ez a tényező az elnyelődést és a szórás jelenségét is magában hordozza. Az anyagon áthaladó sugárzás intenzitása (I) az anyag vastagságával (d) csökken, ugyanakkor értéke a gyengítő tényezők figyelembevételével együtt számítható ki, ezt fejezi ki a Lambert-Beer törvény: (3) ahol I0: a sugárnyaláb kezdeti intenzitása d: az anyag (v. réteg) vastagsága µ: fajlagos gyengítési együttható (v. tömegabszorpciós együttható) ρ: az anyag sűrűsége A (3) egyenletben szereplő tömegabszorpciós együttható felírható a fotoelektromos effektus (τ), a rugalmas (σr) és a rugalmatlan (σc) szórásból származó együtthatók összegeként. Vegyület vagy elegy esetén a µ együttható az egyes elemek együtthatóinak súlyozott összegeként adódik. Fontos megjegyezni, hogy a fotoeffektusból származó abszorpciós koefficiens függ az energiától, azaz a fotoelektron keletkezését befolyásolja a hullámhossz. Ha az együtthatót az energia függvényében ábrázoljuk (9. ábra), azt is megállapíthatjuk, hogy ez az abszorpciós spektrum nem folytonos, hanem ún. abszorpciós 9. ábra A tömegabszorpciós együttható energia függése Al, Fe és Pb elemekre (Gauglitz & Vo-Dinh, 2003) éleket tartalmaz. Abszorpciós ugrás az adott elemre vonatkozó ionizációs energiánál van, ahol az él nagy- és kisenergiájú oldalának viszonya az ionizáció hányadát mutatja az adott héjon. Az I intenzitás mérése az anyaggal történő kölcsönhatások alapján valósul meg. Emellett a röntgensugár hullámhossza is mérhető, melyhez egykristály kristályrácsa is használható. Ugyanis ha a röntgensugár ismert távolságú (d) rácssíkokra esik miközben azokról valamilyen elhajlással visszaverődik (ϑ), a visszavert hullámok közötti útkülönbség és a maximális intenzitásokhoz (ahol a hullámok erősítik 16 16 A periodikus, hosszú távú rendet mutató kristályrácson erősítés csak kitüntetett irányokban jelentkezik, egyéb irányokban kioltás tapasztalható ( 20

egymást) tartozó szögek alapján a kérdéses hullámhosszok (λ) meghatározhatók. Ezt a Bragg-egyenlet fejezi ki, mely a röntgen diffrakció 17 alapja is (n egész szám): 2 sin (4) A röntgen diffraktométer és a röntgen fluoreszcens spektrométer között az alapvető különbség, hogy előbbinél a hullámhossz az ismert és a rácssík távolságot számítjuk ki a mért elhajlásból, míg a másik módszernél ez éppen fordítva történik. Karakterisztikus röntgensugárzás Röntgen foton valamelyik belső (elsősorban K- és L- 18 ) elektronhéjra való átmenetnél keletkezik. A belső elektronhéj ionizációját egyébként iongerjesztéssel (Particle Induced X-Ray Emission, azaz PIXE módszerrel), vagy például az elektronmikroszkópokban az elektronok energiáját felhasználva (elektronsugaras mikroanalízis, angol elnevezéssel Electron Probe Micro Analysis) is elérhetjük. Ahhoz, hogy a röntgen fotont (ill. energiáját) és ez által a spektrumon 19 megjelenő vonalakat jellemezni tudjuk, az átmenetek jelölését is ismernünk kell. Az átmenetek jelölésére kétféle rendszert is használnak. Kezdetben a Nobel-díjas svéd fizikusról elnevezett, Manne Siegbahn-féle jelölés terjedt el, később azonban az IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) az egységes kémiai nómenklatúra kialakítása miatt egy újabb jelölés használatát fogadta el (4. táblázat Jenkins és társai (1991) alapján saját szerkesztés). 4. táblázat Röntgen spektroszkópiában használt elnevezések a kvantumátmenetekre Energiaszintek átmenetei* Spektrumvonalak elnevezése Relatív intenzitás (az elektron konfigurációkkal) Siegbahn-féle IUPAC (a fővonalhoz képest) K (1s -1 ) L 3 (2p -1 3/2 ) Kα 1 K-L 3 100 L 2 (2p -1 1/2 ) Kα 2 K-L 2 ~50 M 3 (3p -1 3/2 ) Kβ 1 K-M 3 ~17 M 2 (3p -1 1/2 ) Kβ 2 K-M 2 ~8 L 3 (2p -1 3/2 ) M 5 (3d -1 5/2 ) Lα 1 L 3 -M 5 100 M 4 (3d -1 3/2 ) Lα 2 L 3 -M 4 ~10 L 2 (2p -1 1/2 ) M 4 (3d -1 3/2 ) Lβ 1 L 2 -M 4 100 M 5 (3d -1 5/2 ) N 7 (5p -1 3/2 ) Mα 1 M 5 -N 7 n.a. *a felsorolás nem teljeskörű 17 A röntgen diffrakciót leginkább ismeretlen kristályszerkezet vizsgálatára használják, mivel az ismert hullámhosszú röntgensugárral és az intenzitások arányának mérésével a rácssík távolság meghatározható. 18 Főkvantumszám érték (n=1,2,3,, mely az atommag és az elektron távolságának mértékét mutatja) helyett a K,L,M,N betűjelöléseket alkalmazzák. 19 A spektrum itt azt a diagramot jelenti, amelyen az egyes energiákhoz (x tengely) tartozóan jelenik meg az adott elem vonala az intenzitásának (y tengely) függvényében. 21